伪卫星导航定位系统在物资管理中的应用

前言

一般对于导航卫星系统而言，所能跟踪的卫星越多，其几何分布结构越好，则定位测量结果越可靠，精度也越高。但是,当卫星信号受到建筑物、墙的遮挡，特别是在室内时，信号基本完全消失，导致室内定位无法实现。在物资日常管理中,特别是大量物资处于库存状态时，即使进行了分门别类，仍需耗费大量人力时间去查找。伪卫星导航定位技术的出现为解决这个问题提供了可行方案。

使用伪卫星导航定位系统具有以下优点:

自由构造几何关系，提高定位精度。在伪卫星网络覆盖范围内，可通过人工改变伪卫星位置来改善PDOP。

解决信号遮蔽问题。伪卫星网络可在任意区域架设,即便没有实星信号也能进行定位，通过在室内天花板设置伪卫星发射机，可消除物体遮挡，因此不存在信号遮蔽问题。

差分校正量自动传输。由伪卫星发送的类北斗信号具有电文传送能力，其信息可直接被接收机接收，这样无需单独的通信链路，就可接收到差分校正量。

具有很强兼容性。伪卫星信号可被一般的北斗接收机所接收，而接收机几乎不用修改。

1伪卫星导航定位原理

伪卫星是一种基于地面的能够传播类似GNSSS信号的简易信号发生器。利用各种载体建立的伪卫星站不仅可以区域增强GPS、GLONASS导航系统，而且对正在建设的伽利略和我国的北斗二代导航系统，在导航卫星不能满足定位要求时,甚至可以利用伪卫星进行卫星补充完成导航定位。因此，伪卫星已成为当前导航领域研究中的一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。

以北斗卫星导航系统为例，北斗伪卫星定位系统是一个模拟北斗定位系统的区域定位系统，基本理论和研究方法都源于北斗。可用4颗北斗伪卫星作为信号源来模拟北斗系统中的卫星，采用独立的坐标系和时间标准，组成伪卫星网络，并通过北斗接收机和主控站完成伪卫星系统的同步控制、导航信号的接收以及定位信息提取和解算，就能够给一定区域内进行定位。

与北斗观测的数据类似，伪卫星伪距及相位的一般观测方程如下:

程如下

式中的k和p分别表示接收机和伪卫星。R和叫分别表示接收机k对伪卫星p的伪距和相位观测值；表示伪卫星的载波波长；pk表示伪卫星与接收机之间的距离;c表示真空的光速;dpt和dkt分别表示卫星与接收机的钟差；N表示从接收机到伪卫星相位观测的整周模糊度数值;drk表示伪卫星的位置误差；dmk和dmk分别表示伪距及相位观测的多路径效应误差；邻与ek分别表示伪距与相位观测的观测误差。

2伪卫星导航定位系统在物资管理中的应用

2.1系统设计

为了在物资管理中应用伪卫星导航定位系统，首先要在室内构成伪卫星导航定位系统，它主要由单体伪卫星和主控站组成。单体伪卫星由接收机、发射机和天线等部分组成，其工作原理为，设置在地面或空中的卫星发射类似北斗的信号,结合收到的实星信号，通过选择最佳卫星几何结构，提高局部地区的导航定位性能,甚至在导航定位卫星完全不能使用时,单独组网进行定位导航。系统组网分为三大部分：信号发射部分、用户接收部分和主控部分叫

2.1.1信号发射部分

伪卫星发射机Pl用来产生射频定位信号，发射1575.42MHz信号，作为定位用户提供导航信号源。伪卫星Pl可以通过有线或无线数据链路与主控站进行通信，在主控站的控制下，完成改变伪码结构、导航电文、调整发射功率及同步系统时钟等功能。

2.1.2用户接收部分

用户接收部分由参考接收机、用户接收机以及天线构成。参考接收机接收信号后发给主控站，从而甄别伪卫星的工作状态，作为系统的反馈部分，保证伪卫星的正常发射；用户接收机接收所需要的测量值，实现定位的数据采集。

2.1.3主空部分

主控部分由计算机、伪卫星定位主控平台、导航解算软件以及数据通信模块组成。完成的功能有系统功能控制、导航电文注入与伪卫星系统基本配置、定位完好性监测、参考站数据分析以及用户接收机定位解算等，同时还将解算出的用户接收机位置信息传送至上层调度监控系统。系统工作时主控站首先通过通信网络配置伪卫星参数，包括PRN码、波特率以及导航电文的注入，并通知伪卫星发送定位信号，在接收时参考接收机测量伪卫星时间同步误差信息，使用用户接收机进行测量、导航电文解算及定位。

北斗伪卫星系统在物资管理中的应用主要是将导航系统的芯片本身作为传感器和网络传输系统使用，代替以往的传感器和射频识别设备以及有线网络传输系统。由于其具有精确定位的功能和短报文上传功能，且通过伪卫星系统，定位和传输服务可覆盖我国全部地区，因此在物资静态或动态管理中具有很大优势。系统构成如图1所示。

监控中心通过北斗系统或伪卫星主控系统，对运输中的或室内的物资进行定位查询，监控物资收到查询命令后进行定位，并将位置信息按照通信协议组合成数据包，通过短报文通信功能，上报给监控中心。

2.2组网布局

通过伪卫星系统进行定位时，还需要考虑伪卫星的室内布局方案，其直接影响着物资点位精度。根据文献［5］可知，几何精度因子GDOP越小，定位精度越高，而几何精度因子与用户及被观测伪卫星所构成的多面体体积成反比。为了避免伪卫星被遮挡，单体伪卫星必然安装在天花板或侧面墙壁上,所以布局有图2所示的两种方式。

图2中一颗伪卫星在天花板中心，图2(a)中四颗伪卫星位于墙面交线上，高度可变；图2(b)中四颗伪卫星位于墙面中心，高度可变。通过计算物体与被观测伪卫星所构成的几何体体积可知，图2(a)所构成几何体体积比图2(b)大，定位精度更好。

2.3系统优化

在实际应用中，除了解决伪卫星系统定位精度问题外,还需要考虑信号的远近效应和多径效应。远近效应是由于各卫星距离被测用户距离不同，影响接收机接收信号大小，有可能使信号动态范围超出接收机接收动态范围，导致阻塞接收机；多径效应是由于卫星信号在室内受到墙壁或物体阻挡,形成直射信号和反射信号，造成接收机受到多径干扰。

减小这两类现象引起的影响，一是从布局上进行优化。如图2(a)所示，在墙面交线上的四颗伪卫星高度变化时，几何体体积并不改变，但当高度增加时，根据自由空间传播损耗公式可知，远端和近端接收信号的差值(动态范围)变小，所以最佳方案是将四颗伪卫星也布置到天花板上并处于四角。同样，伪卫星高度越低，由同一点反射所产生的多径信号功率也越大，因此布局上也是以架高伪卫星为最佳。二是当在静态定位时，伪卫星的多路径偏移可当作一个常量，故在室内定位时，式⑴和式(2)中dmk、dmk可以根据测量情况设一个常值。

3结语

卫星导航定位技术对现代生活的影响已经越来越巨大,在科技研究、地质勘测、工农业发展以及日常生活中得到了广泛的运用，受到了各方的高度重视，以美国为首的西方国家尤其重视导航技术的应用和成果转化，而伪卫星系统可弥补GNSS系统应用中的许多缺陷。虽然目前伪卫星技术的推广应用还有许多关键技术需要解决和攻克，但伪卫星定位技术自身的特点和优越性决定了其必将会有广阔的应用前景。

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